WO2010049148A1 - Procede de determination de l'etat de charge d'une batterie en phase de charge ou de decharge - Google Patents

Procede de determination de l'etat de charge d'une batterie en phase de charge ou de decharge Download PDF

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WO2010049148A1
WO2010049148A1 PCT/EP2009/007732 EP2009007732W WO2010049148A1 WO 2010049148 A1 WO2010049148 A1 WO 2010049148A1 EP 2009007732 W EP2009007732 W EP 2009007732W WO 2010049148 A1 WO2010049148 A1 WO 2010049148A1
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battery
during
voltage
charge
indicator
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Rémy Mingant
Christine Lefrou
Yvan Reynier
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Commissariat A L'energie Atomique
Institut Polytechnique De Grenoble
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the state of charge of a battery during a phase of charging or discharging the battery.
  • the state of charge In lead-acid batteries, the state of charge (SOC) varies, conventionally, according to the battery voltage in open circuit (zero current) in a wide range, for example more than one volt of amplitude as illustrated.
  • Figure 1 - Methods for state-of-charge determination and their applications” by Sabine Piller et al published in 2001 in the "Journal of Power Sources" pages 113-120).
  • the state of charge of these batteries can then be determined by a simple measurement of potential whose accuracy depends on the accuracy of the measurement of the voltage as well as the slope of the discharge curve of the battery according to its state of charge. charge.
  • the state of charge can also be determined from the measurement of the non-zero current voltage.
  • the accuracy depends on the accuracy of the voltage measurement, but also the current, the slope of the characteristic curve of the discharge of the battery according to its state of charge, as well as the parameters for estimating the voltage of the battery. non-zero current battery.
  • These potential interpolation methods are not suitable for some current batteries, in particular lithium-ion battery cathode type biphasic material, in which the voltage difference between the charged state and the discharged state is low. Indeed, as illustrated in FIG. 2, the variations of the voltage U in volts of the battery as a function of the state of charge (SOC) are so small that for a voltage of 3.3V, it is impossible to know if the state of charge is closer to 40% than 60%.
  • the state of charge of a battery can also be determined by integration of the current as a function of time.
  • the accuracy of an estimate using this method depends on the accuracy of the current measurement. It is also necessary to know the initial capacity of the element, the total load capacity, the faradic efficiency.
  • One of the main shortcomings of this technology is the accumulation of cycle-by-cycle errors, leading to increasingly important uncertainties (dependent on the initial capacity estimates of the element and its total capacity). This technique is therefore not applicable for long-term battery management.
  • the object of the invention is to provide a method of determining the state of charge that is precise and easy to implement.
  • the method comprises the following successive steps: the measurement of an electrical parameter of the battery, the open circuiting of the battery during a rest period, measuring at least first and second values of the voltage at the terminals of the battery at different times during the rest period,
  • the measured electrical parameter is either the current ttrraavveerrssaanntt llaa bbaatttteerriiee aavvaanntt ssaa mmiissee eenn cciirrccuuiitt oouuvveeirt or the voltage U (t0) across the battery before it is open.
  • the indicator ind1 is given by the formula indl ⁇ - ( - x (U ( ⁇ ) - U (t0) ) with U (t1 ) the first measure of tension
  • the indicator is given by the formula indl ⁇ - xi with U, m la
  • FIG. 1 represents a curve for determining the state of charge of a battery by means of an open circuit voltage measurement, according to the prior art.
  • Figure 2 illustrates the variation of the open circuit voltage as a function of the state of charge of a lithium-ion battery.
  • FIG. 3 represents the evolution of the voltage of the battery as a function of time during a discharge phase during a phase of determining the state of charge of the battery according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates a calibration curve representative of the indicator determined after the rest period as a function of the state of charge.
  • FIG. 5 illustrates different curves, each associated with a different ⁇ , representative of the evolution of the values of the indicator as a function of the state of charge.
  • FIG. 3 represents the evolution of the voltage of the battery as a function of time for a discharge phase with a step of determining the state of charge.
  • an electrical parameter of the battery is measured before the battery is idle between times t0 and t3.
  • Putting the battery to rest corresponds to an open circuit, so no current crosses the battery. This quitting causes a variation of the voltage across the battery. Typically, this variation corresponds to an increase in the voltage if the battery is in the discharge phase (FIG. 3) or to a decrease in voltage if the battery is in the charging phase (not shown).
  • the rest period (t ⁇ -t3) is preferably less than or equal to 60 seconds, during which time the voltage generally reaches the plateau voltage.
  • the values of the voltage at the terminals of the battery are measured at at least two different times t1 and t2.
  • the instant t2 may be equal to the instant t3, that is to say that the voltage is measured just before resuming the charge or discharge phase of the battery.
  • An indicator is then determined from the measurement of the electrical parameter and the values of the voltage U (t1) and U (t2) measured during the rest period t ⁇ -t3.
  • the indicator can be obtained in two different ways, either by measuring the current or by measuring the voltage as an electrical parameter.
  • the measured electrical parameter is the voltage U at the terminals of the battery before the rest period, that is to say at t0.
  • U (t1) and U (t2) represent the voltages measured respectively at times t1 and t2
  • ⁇ is a parameter dependent on the charge or discharge of the battery.
  • the parameter ⁇ depends on the type of the battery. It is determined beforehand during a calibration phase by successive iterations of possible values of ⁇ , for example, between OV and the nominal voltage of the battery, to obtain a monotonic calibration curve representative of the indicator in question. function of the state of charge.
  • ⁇ is determined by successive iterations during the calibration phase, it should be noted that its value is close to the average potential charge or discharge of the battery when the batteries tested have electrodes comprising the following materials LiFePO 4 / Graphite or LiFePO 4 ZLi 4 Ti 5 O 12 .
  • the corresponding ⁇ is 1. 8V.
  • the average potential is defined as the ratio between the battery energy (in Wh) and the capacity of the battery (in Ah) for a given charging or discharging regime.
  • the measured electrical parameter is the current I passing through the battery before the rest period, that is to say at t0. After measuring the current I, the battery is placed in a rest period during which at least two values of the voltage are measured respectively at times t1 and t2. It is then possible to determine the indicator ind2 by applying the formula:
  • U (t1) and U (t2) represent the voltages measured respectively at times t1 and t2
  • ⁇ is a parameter dependent on the charge or the discharge of the battery, determined similarly to the variant described above to obtain a monotonic calibration curve.
  • the indicator is then used to determine the state of charge (SOC) of the battery from the calibration curve (FIG. 4) obtained beforehand from at least one standard battery, this curve is representative of the variations of the indicator according to the state of charge of the battery during the charging or discharging phase.
  • the calibration curve provides the relationship between the indicator and the state of charge of the battery for a predetermined ⁇ .
  • the calibration curve used is that which made it possible to determine the best ⁇ .
  • the curve of FIG. 4 represents the calibration curve corresponding to the variant where the intensity (ind2) traversing the battery is measured as an electrical parameter. It is necessary to perform two calibration curves, in fact, the calibration curves are different if it is a charge or discharge phase of the battery. As illustrated in FIG.
  • the calibration curve represents the evolution of the indicator ind2 as a function of the state of charge of the battery during a discharge phase. This curve was obtained during of the calibration phase by successive iterations of ⁇ already described above. Tests carried out on three standard batteries of identical brand have demonstrated a low dispersion of the results making it possible to obtain a significant reproducibility of the measurement with a standard deviation of less than 5%.
  • the method according to the invention is adapted to the chemistry of the battery, it allows in particular to determine the state of charge of a battery having as the pair of electrodes is an electrode in biphasic material or both.
  • the method is more particularly suitable for batteries comprising electrode materials LiFePO 4 and Li 4 Ti 5 O 12 .
  • the establishment of the state of charge of such batteries is realized with an important precision of which the uncertainty is less than 10%, whereas it is greater than 15% with the methods of the prior art. It is also not necessary to integrate a memory and a circuit making corrections according to the data relating to the previous charges and discharges of the battery.
  • This particularly interesting process can be applied in the photovoltaic field. It can also be applied in the field of mobile devices, such as phones and computers or in the field of hybrid and electric vehicles where it is critical to use accurate load gauges.

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Abstract

Le procédé de détermination de l'état de charge d'une batterie comporte au cours d'une phase de charge ou de décharge de la batterie la mesure d'un paramètre électrique de la batterie puis la mise en circuit ouvert de la batterie pendant une période de repos (t0-t3). Au cours de la période de repos (t0- t3), au moins deux valeurs de la tension aux bornes de la batterie sont mesurées. Un indicateur est ensuite calculé en fonction du paramètre électrique et des valeurs de la tension mesurées pendant la période de repos, puis l'état de charge correspondant à cet indicateur est déterminé au moyen d'une courbe d'étalonnage représentative des variations de l'indicateur en fonction de l'état de charge de la batterie.

Description

Procédé de détermination de l'état de charge d'une batterie en phase de charge ou de décharge
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un procédé de détermination de l'état de charge d'une batterie pendant une phase de charge ou de décharge de la batterie.
État de la technique
Dans les batteries au plomb, l'état de charge (SOC) varie, classiquement, en fonction de la tension de la batterie en circuit ouvert (courant nul) dans une large gamme, par exemple de plus de un Volt d'amplitude comme illustré à la figure 1 - (article « Methods for state-of-charge détermination and their applications » de Sabine Piller et al. publié en 2001 dans le « journal of power sources » pages 113 à 120). L'état de charge de ces batteries peut alors être déterminé par une simple mesure de potentiel dont la précision dépend de la précision de la mesure de la tension ainsi que de la pente de la courbe de décharge de la batterie en fonction de son état de charge.
L'état de charge peut également être déterminé à partir de la mesure de la tension à courant non nul. La précision dépend alors de la précision de la mesure de tension, mais aussi du courant, de la pente de la courbe caractéristique de la décharge de la batterie en fonction de son état de charge, ainsi que des paramètres d'estimation de la tension de batterie à courant non nul. Ces méthodes par interpolation du potentiel ne sont pas adaptées à certaines batteries actuelles, en particulier les batteries de type lithium-ion à cathode en matériau biphasique, dans lesquelles la différence de tension entre l'état chargé et l'état déchargé est faible. En effet, comme illustré à la figure 2, les variations de la tension U en volts de la batterie en fonction de l'état de charge (SOC) sont tellement faibles que pour une tension de 3,3V, il est impossible de savoir si l'état de charge est plus proche de 40% que de 60%.
De manière connue, l'état de charge d'une batterie peut également être déterminé par intégration du courant en fonction du temps. La précision d'une estimation utilisant cette méthode dépend de la précision de la mesure du courant. Il est également nécessaire de connaître la capacité initiale de l'élément, la capacité de charge totale, le rendement faradique. Un des principaux défauts de cette technologie est l'accumulation des erreurs cycles après cycles, induisant des incertitudes de plus en plus importantes (dépendantes des estimations de capacité initiales de l'élément et de sa capacité totale). Cette technique n'est donc pas applicable pour une gestion à long terme d'une batterie.
Objet de l'invention
L'objet de l'invention a pour but un procédé de détermination de l'état de charge précis et facile à mettre en œuvre.
Ce but est atteint par le fait que le procédé comporte au cours de ladite phase, les étapes successives suivantes : - la mesure d'un paramètre électrique de la batterie, - la mise en circuit ouvert de la batterie pendant une période de repos, - la mesure d'au moins des première et seconde valeurs de la tension aux bornes de la batterie à des instants différents au cours la période de repos,
- la détermination d'un indicateur en fonction dudit paramètre électrique et des valeurs de la tension mesurées pendant la période de repos, et la détermination de l'état de charge correspondant à l'indicateur au moyen d'une courbe d'étalonnage représentative des variations de l'indicateur en fonction de l'état de charge pendant la phase de charge ou de décharge.
Selon un développement, le paramètre électrique mesuré est soit le courant ttrraavveerrssaanntt llaa bbaatttteerriiee aavvaanntt ssaa mmiissee eenn cciirrccuuiitt oouuvveeirt soit la tension U(t0) aux bornes de la batterie avant sa mise en circuit ouvert.
Selon une première variante, utilisant comme paramètre la tension U(t0) aux bornes de la batterie, l'indicateur ind1 est donné par la formule indl≈ — (— x (U(Λ) - U(t0)) avec U(t1) la première mesure de tension
^(/2) ~ ^(/1) pendant la période de repos, U(t2) la seconde mesure de tension pendant la période de repos et α un paramètre déterminé au préalable pendant une phase d'étalonnage par itérations successives de α, pour obtenir une courbe d'étalonnage monotone.
Selon une seconde variante, utilisant comme paramètre le courant I, l'indicateur est donné par la formule indl≈ — ^ xi avec U,m la
TI - TI
U(,2) U(.ti) première valeur de tension mesurée pendant la période de repos, U(t2) la seconde valeur de tension mesurée pendant la période de repos et α un paramètre déterminé au préalable pendant une phase d'étalonnage par itérations successives de α, pour obtenir une courbe d'étalonnage monotone. Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente une courbe de détermination de l'état de charge d'une batterie par l'intermédiaire d'une mesure de tension à circuit ouvert, selon l'art antérieur.
La figure 2 illustre la variation de la tension en circuit ouvert en fonction de l'état de charge d'une batterie lithium-ion.
La figure 3 représente l'évolution de la tension de la batterie en fonction du temps au cours d'une phase de décharge pendant une phase de détermination de l'état de charge de la batterie selon l'invention.
La figure 4 illustre une courbe d'étalonnage représentative de l'indicateur déterminé après la période de repos en fonction de l'état de charge. La figure 5 illustre différentes courbes, associées chacune à un α différent, représentatives de l'évolution des valeurs de l'indicateur en fonction de l'état de charge.
Description de modes de réalisation particuliers
Comme illustré à la figure 3, pour déterminer l'état de charge de la batterie ou d'un accumulateur durant une phase de charge ou de décharge, la figure 3 représente l'évolution de la tension de la batterie en fonction du temps pour une phase de décharge avec une étape de détermination de l'état de charge. On mesure tout d'abord un paramètre électrique de la batterie avant de mettre la batterie au repos entre les instants tO et t3. La mise au repos de la batterie correspond à une mise en circuit ouvert, ainsi aucun courant ne traverse la batterie. Cette mise au repos provoque une variation de la tension aux bornes de la batterie. Typiquement, cette variation correspond à une augmentation de la tension si la batterie est en phase de décharge (figure 3) ou à une diminution de la tension si la batterie est en phase de charge (non représentée). La période de repos (tθ-t3) est, de préférence, inférieure ou égale à 60 secondes, durée au cours de laquelle la tension atteint généralement la tension de plateau.
Au cours de la période de repos (tθ-t3), les valeurs de la tension aux bornes de la batterie sont mesurées à au moins deux instants différents t1 et t2.
L'instant t2 peut être égal à l'instant t3, c'est-à-dire que la tension est mesurée juste avant de reprendre la phase de charge ou de décharge de la batterie. Un indicateur est ensuite déterminé à partir de la mesure du paramètre électrique et des valeurs de la tension U(t1) et U(t2) mesurées pendant la période de repos tθ-t3.
L'indicateur peut être obtenu de deux manières différentes soit par mesure du courant soit par mesure de la tension en tant que paramètre électrique.
Selon une première variante, le paramètre électrique mesuré est la tension U aux bornes de la batterie avant la période de repos, c'est-à-dire à tO. Après la mesure, au cours de la période de repos, d'au moins deux valeurs de la tension aux instants t1 et t2, il est possible de déterminer l'indicateur en appliquant la formule :
U(t2) - a. inA - w /n) ',; - xx (ikU(t,mn -- U ' ((JιOm);)
CD
où U(t1) et U(t2) représentent les tensions mesurées respectivement aux instants t1 et t2, α est un paramètre dépendant de la charge ou de la décharge de la batterie. Le paramètre α dépend du type de la batterie. Il est déterminé au préalable au cours d'une phase d'étalonnage par itérations successives de valeurs possibles de α, par exemple, entre OV et la tension nominale de la batterie, pour obtenir une courbe d'étalonnage monotone représentative de l'indicateur en fonction de l'état de charge. La figure 5 représente le comportement de l'évolution des valeurs de l'indicateur en fonction de l'état de charge (SOC) pour des valeurs de α respectivement de 2,5V, 3,1V, 3,2V, 3,3V, et 3,4V pour une phase décharge de 10 heures d'une batterie de type LiFePO4/LiC6 de format 18650 et de capacité 1.4Ah. La courbe associée à la valeur de α = 3,2V est la plus monotone, c'est-à-dire qu'elle ne présente pas de rupture de pente ni d'inversion de la pente. Au contraire, les courbes associées à α = 2,5V et α =3,1 V présentent une rupture et une inversion de pente au niveau d'un état de charge de 70%. De même, la courbe associée à la valeur de α = 3,4V, présente un grand nombre de ruptures de pentes. En ce qui concerne la courbe associée à α = 3,3V une rupture est obtenue pour un état de charge de 15%. Les courbes ne présentant pas de monotonie ne sont pas satisfaisantes car dans ce cas, pour un même indicateur, il peut exister une pluralité de valeurs d'état de charge correspondantes. Pour une batterie du type testé à la figure 5, la valeur de α à retenir est donc 3.2V.
Bien que dans l'exemple ci-dessus α soit déterminé par itérations successives au cours de la phase d'étalonnage, il est à noter que sa valeur est proche du potentiel moyen en charge ou en décharge de la batterie lorsque les batteries testées ont des électrodes comportant les matériaux suivants LiFePO4/Graphite ou LiFePO4ZLi4Ti5O12. Pour LiFePO4/Li4Ti5O12, le α correspondant vaut 1 ,8V. Le potentiel moyen se définit par le rapport entre l'énergie de la batterie (en W.h) et la capacité de la batterie (en A.h) pour un régime donné de charge ou de décharge. Selon la seconde variante, le paramètre électrique mesuré est le courant I passant dans la batterie avant la période de repos, c'est-à-dire à tO. Après la mesure du courant I, la batterie est placée en période de repos durant laquelle sont mesurées au moins deux valeurs de la tension respectivement aux instants t1 et t2. Il est ensuite possible de déterminer l'indicateur ind2 en appliquant la formule :
indl - U™ -Q x/
où U(t1) et U(t2) représentent les tensions mesurées respectivement aux instants t1 et t2, α est un paramètre dépendant de la charge ou de la décharge de la batterie, déterminé de manière similaire à la variante décrite ci-dessus pour obtenir une courbe d'étalonnage monotone.
L'indicateur est ensuite utilisé pour déterminer l'état de charge (SOC) de la batterie à partir de la courbe d'étalonnage (figure 4) obtenue au préalable à partir d'au moins une batterie étalon, cette courbe est représentative des variations de l'indicateur en fonction de l'état de charge de la batterie pendant la phase de charge ou de décharge. De préférence, la courbe d'étalonnage fournit la relation entre l'indicateur et l'état de charge de la batterie pour un α prédéterminé. De préférence, la courbe d'étalonnage utilisée est celle qui a permis de déterminer le meilleur α. La courbe de la figure 4 représente la courbe d'étalonnage correspondant à la variante où l'on mesure comme paramètre électrique l'intensité (ind2) traversant la batterie. Il est nécessaire de réaliser deux courbes d'étalonnage, en effet, les courbes d'étalonnage sont différentes s'il s'agit d'une phase de charge ou de décharge de la batterie. Comme l'illustre la figure 4, la courbe d'étalonnage représente l'évolution de l'indicateur ind2 en fonction de l'état de charge de la batterie au cours d'une phase de décharge. Cette courbe a été obtenue lors de la phase d'étalonnage par itérations successives de α déjà précédemment décrite. Des tests réalisés sur trois batteries étalon de marque identique ont démontré une faible dispersion des résultats permettant d'obtenir une reproductibilité importante de la mesure avec un écart-type inférieur à 5%.
Ainsi, selon un exemple de réalisation, pour une pile de type LiFePO4/LiC6 cylindrique de format 18650 et de capacité 1 ,4Ah en phase de décharge et pour une période de repos de durée 30 secondes et avec t2 = t3, le calcul de ind2donne :
Figure imgf000010_0001
avec U(30s) ≈ 3,25V, U(1s) = 3,21V et I = 0,07 A pour une phase de décharge de 20 heures de la batterie. On obtient ainsi une valeur de ind2 de 0.0875A.
Par lecture de la courbe de la figure 4, on obtient une valeur d'estimation de l'état de charge (SOC) de 25%.
Ce même calcul réalisé pour une seconde mesure de tension à t2 = 1 s au lieu de t2 = 30s montre également une bonne monotonie de la courbe d'étalonnage, avec un écart-type inférieur à 20% de l'état de charge.
Le procédé selon l'invention est adapté à la chimie de la batterie, il permet notamment de déterminer l'état de charge d'une batterie ayant comme couple d'électrodes soit une électrode en matériau biphasique soit les deux. Le procédé est plus particulièrement adapté aux batteries comportant en matériaux d'électrode LiFePO4 et Li4Ti5O12. L'établissement de l'état de charge de telles batteries est réalisé avec une importante précision dont l'incertitude est inférieure à 10%, alors qu'elle est supérieure à 15% avec les méthodes de l'art antérieur. Il n'est pas non plus nécessaire d'intégrer une , mémoire et un circuit effectuant des corrections en fonction des données relatives aux charges et décharges précédentes de la batterie.
Ce procédé particulièrement intéressant peut être appliqué dans le domaine photovoltaïque. Il peut aussi être appliqué dans le domaine des appareils mobiles, comme les téléphones et les ordinateurs ou encore dans le domaine des véhicules hybrides et électriques où il est critique d'utiliser des jauges de charge précises.

Claims

Revendications
1. Procédé de détermination de l'état de charge d'une batterie pendant une phase de charge ou de décharge de la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte au cours de ladite phase, les étapes successives suivantes :
- la mesure d'un paramètre électrique de la batterie,
- la mise en circuit ouvert de la batterie pendant une période de repos (tO-
13), - la mesure d'au moins des première et seconde valeurs de la tension aux bornes de la batterie à des instants (t1 , t2) différents au cours la période de repos (tθ-t3),
- la détermination d'un indicateur (ind1 , ind2) en fonction dudit paramètre électrique et des valeurs de la tension mesurées pendant la période de repos,
- et la détermination de l'état de charge correspondant à l'indicateur au moyen d'une courbe d'étalonnage représentative des variations de l'indicateur en fonction de l'état de charge pendant la phase de charge ou de décharge.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le paramètre électrique est le courant I traversant de la batterie avant sa mise en circuit ouvert.
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le paramètre électrique est la tension U(t0) aux bornes de la batterie avant sa mise en circuit ouvert.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'indicateur est
U1,,, - a donné par la formule indl ≈ — {— x / avec U ((Ht1)) la première valeur de
U(t2) ^((1) tension mesurée pendant la période de repos, U(t2) la seconde valeur de tension mesurée pendant la période de repos et α un paramètre déterminé au préalable pendant une phase d'étalonnage par itérations successives de α, pour obtenir une courbe d'étalonnage monotone.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'indicateur ind1 est donné par la formule ind\ = — — x (Uoι) - Um) avec U(t1) la première
mesure de tension pendant la période de repos, U(t2) la seconde mesure de tension pendant la période de repos et α un paramètre déterminé au préalable pendant une phase d'étalonnage par itérations successives de α, pour obtenir une courbe d'étalonnage monotone.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la période de repos a une durée inférieure ou égale à 60 secondes.
PCT/EP2009/007732 2008-10-30 2009-10-28 Procede de determination de l'etat de charge d'une batterie en phase de charge ou de decharge WO2010049148A1 (fr)

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